以下文章來源于汽車工程師漫談；作者Auto Ingenieur

一、ESD和EOS區(qū)別

ESD（Electro Static Discharge靜電釋放）與EOS（Electrical Over Stress過度電性應(yīng)力）都是與電壓過應(yīng)力有關(guān)的概念，但它們之間有明顯的差異。

ESD的電壓很高（>500V），持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短（<1us）。

EOS的電壓相對(duì)較低（<100V），持續(xù)時(shí)間更長一些（通常>1us）。

二、失效統(tǒng)計(jì)

從失效機(jī)理上器件的靜電損傷可分為靜電過電壓導(dǎo)致的場致失效和瞬時(shí)放電電流引起的熱致失效。通常，靜電損傷造成的元器件失效的主要模式有：

①端口漏電、擊穿呈阻性甚至短路；②端口特性無明顯變化，功能異常；③重要性能參數(shù)退化；④潛在性損傷：靜電電荷放電后元器件內(nèi)部輕微損傷，放電后元器件的電參數(shù)是合格或出現(xiàn)變化，但其抗過電應(yīng)力削減、壽命縮短，經(jīng)過一段時(shí)間工作完全失效。我們所接觸的靜電失效大部分是潛在性失效的模式。

靜電敏感結(jié)構(gòu)主要失效機(jī)理匯總見下表。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，靜電損傷/過電損傷（ESD/EOS）失效是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效的主要原因，占50%以上。而在靜電損傷的案例中，受影響最多的是CMOS類集成電路，其次是功放管和微波器件（組件）等。

三、失效特征分析

靜電損傷分為突發(fā)失效和潛在失效兩種類型。突發(fā)失效是指元器件受到靜電放電損傷后，突然完全或部分喪失其規(guī)定的功能。具體表現(xiàn)有：PN結(jié)區(qū)被擊穿、嚴(yán)重漏電；開路：集成電路的金屬化條或鍵合引線的熔斷；電容器介質(zhì)擊穿短路；CMOS電路和MOS功率管因靜電觸發(fā)“閂鎖”燒毀，參數(shù)漂移等。

下圖為ESD擊中半導(dǎo)體器件后導(dǎo)致的氧化物穿孔、硅融化。

而潛在失效指靜電放電能量較低，或放電回路有限流電阻，僅造成輕微損傷，器件電參數(shù)可能仍然合格或略有變化。主要表現(xiàn)為：柵氧化層損傷、柵氧化物愈合或短路、保護(hù)電路受損、電荷陷阱、PN結(jié)衰減等。潛在失效同樣對(duì)器件產(chǎn)生不利影響：①使用可靠性下降，縮短預(yù)期壽命；②電參數(shù)逐漸惡化、抗過電應(yīng)力能力下降。

當(dāng)持續(xù)時(shí)間更長的EOS事件發(fā)生時(shí)，沖擊器件保護(hù)單元的能量就會(huì)更多，常常超出ESD保護(hù)單元的最大沖擊能量承受能力，這樣就會(huì)在ESD保護(hù)單元中積累太多的熱量，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的毀壞。通常情況下，芯片中支撐ESD保護(hù)單元的其他部分也會(huì)連帶著一起受損。

下圖是根據(jù)IC管腳損壞開蓋后裸片，發(fā)現(xiàn)輸入管腳焊盤區(qū)域有開路。

四、EOS、ESD失效的鑒別方法

①失效背景調(diào)查

通常靜電損傷發(fā)生具有一定的隨機(jī)性和持續(xù)性，而EOS損傷發(fā)生的階段可能具有一定規(guī)律性和可重復(fù)性。一般來說，EOS/ESD不具有失效器件的批次性特征，而缺陷引起的失效通常具有一定的批次性特征，而且在“合格品”中可能同樣存在潛在缺陷的跡象或趨勢(shì)。因此需關(guān)注失效發(fā)生是否具備批次性特點(diǎn)。另外，需調(diào)查失效發(fā)生的階段、周圍工作場景等信息，通過失效背景信息區(qū)分三種失效是分析的輔助手段。

②參數(shù)測試

通常，對(duì)失效樣品需要進(jìn)行參數(shù)測試，這些包括：端口I/V測試、靜態(tài)電流、功能測試等，同時(shí)會(huì)利用同批次良品進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于靜電損傷引起的失效，其參數(shù)測試結(jié)果往往與良品差異性小，而EOS損傷的測試結(jié)果則往往差異較明顯。對(duì)于缺陷誘發(fā)的失效，則可能在大量良品測試中檢測出潛在缺陷的樣品。另外，懷疑靜電損傷的失效，則應(yīng)該針對(duì)良品開展靜電敏感度等級(jí)評(píng)價(jià)測試，評(píng)估是否屬于靜電敏感類型器件，同時(shí)通過進(jìn)一步解剖對(duì)比模擬失效的樣品與失效樣品之間的差異。

③顯微形貌觀察和分析

ESD一般在IC的某個(gè)端口，有的損傷比較明顯，開封后在金相下很明顯的看出損傷痕跡，比如在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)電力部分；

EOS的碳化面積較大，一般過功率燒毀會(huì)出現(xiàn)原始損傷點(diǎn)且由這點(diǎn)有向四周輻射的裂紋，過電壓損傷一般在有源區(qū)的邊緣位置，多發(fā)生在電源引腳上。

定位損傷點(diǎn)是分析中的難點(diǎn)，通過解剖樣品，并且借助于失效定位手段：如光學(xué)顯微觀察、液晶分析法、光發(fā)射顯微分析技術(shù)（EMMI）以及激光誘導(dǎo)電阻變化技術(shù)（OBIRCH）、磁顯微分析以及聚焦離子束剖切（FIB）等方法定位到失效點(diǎn)，然后直接觀察失效的微觀物理形貌特征，是鑒別三種失效類型最直觀的方式，也是最需要經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)環(huán)節(jié)。通常，從損傷后的物理微觀形貌來看，靜電損傷形貌通常比較輕微，損傷區(qū)域小，損傷點(diǎn)尺寸通常為微米級(jí)，或者僅有輕微損傷痕跡，相對(duì)于EOS損傷來說要輕微一些。

對(duì)于CMOS集成電路而言，多數(shù)發(fā)生在電極或擴(kuò)散區(qū)之間，往往有明顯的指向性。有時(shí)也會(huì)伴有金屬化損傷，但相對(duì)于EOS損傷來說，損傷區(qū)域及尺寸小，不會(huì)像EOS損傷那樣有較大面積的金屬化熔融和燒毀的特征。而缺陷誘發(fā)的失效，往往具有失效部位和類型單一，且“合格品”中也可能存在類似缺陷。總的來說，ESD失效是EOS失效的一部分，二者之間沒有明顯分界，在對(duì)失效樣品進(jìn)行判別分析時(shí)，要采用上述三種方法進(jìn)行綜合分析，才能得到較為準(zhǔn)確的判斷。